干旱半干旱區(qū)農(nóng)田地膜下墊面天氣效應(yīng)的數(shù)值模擬

干旱半干旱區(qū)農(nóng)田地膜下墊面天氣效應(yīng)的數(shù)值模擬干旱、半干旱地區(qū)因其地表生態(tài)脆弱,下墊面特征較為復(fù)雜,受人類活動(dòng)影響較大;而下墊面特征對(duì)天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展有重要影響[1]。作為目前我國干旱半干旱地區(qū)廣泛采用的耕作方式[2],大面積的地膜鋪設(shè)會(huì)通過影響局地土壤和大氣之間的水汽交換和能量交換,進(jìn)一步影響區(qū)域的天氣狀況。而區(qū)域天氣狀況的變化與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān);無論是洪澇災(zāi)害還是嚴(yán)重的旱災(zāi),都會(huì)威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[3]。因此,對(duì)干旱、半干旱區(qū)地膜覆蓋所產(chǎn)生的天氣效應(yīng)的研究尤為重要。為了研究干旱、半干旱地區(qū)大面積地膜覆蓋的天氣效應(yīng),本文使用中尺度模式WRF對(duì)這一現(xiàn)象的影響進(jìn)行數(shù)值模擬。首先,選取WRF模式中不同的微物理、積云、陸面過程和邊界層方案得到14種參數(shù)化組合,對(duì)2012年7月29日騰格里沙漠邊緣一次短時(shí)強(qiáng)降水過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究,并結(jié)合同期外場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)資料和區(qū)域降水實(shí)況,對(duì)不同組合方案的降水模擬性能進(jìn)行對(duì)比分析,找到最適合干旱區(qū)下墊面的參數(shù)化方案組合。隨后,結(jié)合內(nèi)蒙古地膜試驗(yàn)的觀測(cè)數(shù)據(jù),分析地膜農(nóng)田下墊面的觀測(cè)特征,構(gòu)建地膜農(nóng)田下墊面的物理模型,并將此特征參數(shù)化,將地膜農(nóng)田下墊面模塊耦合到WRF模式中。結(jié)合觀測(cè)和加入地膜模塊前后模擬結(jié)果的對(duì)比,檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降哪M性能。最后,以2012年7月29日騰格里沙漠邊緣一次短時(shí)強(qiáng)降水過程為例,對(duì)比耦合地膜模塊前后模擬的溫度、環(huán)流形勢(shì)、影響降水的動(dòng)力條件和水汽條件以及降水情況,研究大面積地膜鋪設(shè)所產(chǎn)生的天氣效應(yīng)。本文主要結(jié)論如下:(1)對(duì)比14種參數(shù)化方案組合對(duì)降水的模擬情況可見,不同組合對(duì)降雨模擬的差異顯著。半數(shù)以上組合模擬的24h累計(jì)降水較為接近實(shí)際,強(qiáng)降水中心位置與實(shí)況相比存在不同程度偏差,模擬試驗(yàn)點(diǎn)(具體位置在后文中說明)降水開始時(shí)間不同程度滯后于實(shí)測(cè)。綜合考慮,選用Thompson微物理方案、Kain-Fritsch積云方案、RUC陸面過程方案與MYNN2.5level邊界層參數(shù)化方案的組合case11在24h累計(jì)降水、單站逐時(shí)降水及降水的TS評(píng)分中均表現(xiàn)較好且區(qū)域平均誤差最小,方案最優(yōu)。(2)對(duì)比14種方案模擬物理量的差異可以發(fā)現(xiàn),降水量差異正是模擬物理量差異的客觀表現(xiàn)。通過天氣形勢(shì)分析和物理量診斷可見:本次降水過程發(fā)生于500hPa西風(fēng)帶短波槽東移、發(fā)展的環(huán)流背景下,700hPa切變線處冷暖氣流交匯作為暴雨發(fā)生的觸發(fā)機(jī)制。低層輻合高層輻散的配置、較大的垂直上升速度提供了此次降水的動(dòng)力條件;較強(qiáng)的水汽輻合、厚的濕層以及暖濕氣流的輸送,為此次降水過程提供了充沛的水汽。加之中尺度對(duì)流系統(tǒng)的影響,共同造成了本次暴雨的發(fā)生。(3)通過分析內(nèi)蒙地膜試驗(yàn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可見:鋪設(shè)地膜后,土壤濕度、土壤溫度都有所升高,這證明了地膜的保溫、保水效果。地膜覆蓋下墊面的土壤熱通量及其變化幅度低于同等條件下的無地膜下墊面。通過耦合地膜農(nóng)田下墊面前后模擬情況和觀測(cè)的對(duì)比可見,鋪設(shè)地膜后,降水減小且發(fā)生時(shí)間滯后,5cm土壤含水量下降幅度減小,5cm土壤的溫度升高、感熱通量增加、潛熱通量減小;模擬整體變化趨勢(shì)與理論基本一致?？梢?地膜農(nóng)田下墊面模塊在模式中能夠得到較為合理的刻畫。(4)干旱、半干旱區(qū)大面積地膜鋪設(shè)對(duì)氣象要素的影響主要表現(xiàn)為:使試驗(yàn)點(diǎn)附近區(qū)域上空的大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定;在降水發(fā)生前,降低了試驗(yàn)點(diǎn)附近地區(qū)、黑龍江一帶以及湖南東部等地的500hPa位勢(shì)高度,升高了試驗(yàn)點(diǎn)上游區(qū)域、青藏高原一帶、東北南部、華北地區(qū)以及我國西南一帶地區(qū)500hPa位勢(shì)高度;降低試驗(yàn)點(diǎn)附近區(qū)域上空的相對(duì)渦度和垂直速度;抑制降水發(fā)生前后西南氣流的發(fā)展,不利于印度洋水汽向試驗(yàn)點(diǎn)所在區(qū)域輸送;降低試驗(yàn)點(diǎn)附近地表空氣相對(duì)濕度,升高甘肅西北部地面相對(duì)濕度;抑制降水發(fā)生過程中試驗(yàn)點(diǎn)上空低層的水汽輻合,削弱了水汽向上空的輸送過程。(5)干旱、半干旱地區(qū)大面積地膜農(nóng)田下墊面對(duì)此次降水的影響主要表現(xiàn)為:使試驗(yàn)點(diǎn)附近區(qū)域、黑龍江一帶、山東半島、甘肅中部及與其交界的青海東北部以及廣西一帶的日降水量明顯降低;增加內(nèi)蒙、寧夏、陜西三省交界地區(qū),青海中部,新疆